中熵MAX相材料、中熵二维材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种中熵MAX相材料、中熵二维材料及其制备方法，其中，该中熵MAX相材料其化学通式为M

【技术实现步骤摘要】
中熵MAX相材料、中熵二维材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新材料领域，尤其涉及中熵MAX相材料、中熵二维材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]MXene二维材料是从MAX相中选择性刻蚀A组分得到的，最早报道的刻蚀MAX相得到MXene的方法是氢氟酸，采用氢氟酸刻蚀Ti3AlC2刻蚀得到了MXene Ti3C2。由于氢氟酸具有高的毒性、腐蚀性和环境危害性，研究人员又开发了盐酸+氟化盐体系进行刻蚀MAX相，成功制备了一系列的MXene。2020年，中科院宁波材料所的黄庆教授团队采用熔融氯化盐的方法刻蚀MAX相，制备得到了含有Cl官能团的一系列MXene如Cl
‑
Ti3C2，Cl
‑
Ti2C和Cl
‑
Ti3CN等。到目前为止，已经有超过19种MXene包括Ti3C2，Ti2C，Nb2C，Nb4C3，Ta4C3，Ti3CN、V4C3、(Mo
2/3
Y
1/3
)2C等被成功制备，极大的丰富了二维材料的大家族。然而，所制备的MXene中的过渡金属元素组成最多只能达到二元，这极大的限制了MXene二维材料的发展。
[0003]MXene二维材料的组成元素高度依赖与其前驱体MAX相，其分子式为M
n+1
AX
n
，n=1、2或3，M指的是过渡金属元素，包括Sc、Y、Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W等；A主要是指第三、第四和第五主族的元素，如Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb等；X表示C或者N。MAX相材料作为陶瓷材料的一种，拥有陶瓷的高机械强度，高导热性，并且，得益于其特殊的层状结构，其拥有良好的导电性，在电化学领域也有广泛的应用。另一方面又具由于其具有陶瓷材料的抗腐蚀、抗氧化等特性，因而被称为金属陶瓷。到目前为止，已经有超过155种MAX相被报道，其中大多是单组元MAX相（即其中M仅为一种金属元素），MAX相材料中多组元过渡金属的MAX相仍然局限在二元的部分MAX相，如TiNbAlC，Mo2TiAlC2，Mo2Ti2AlC2和(W
2/3
Y
1/3
)2AlC。除了M、A、X位点是单元素的MAX相外，最近有学者合成了固溶MAX相，Hamm等人通过对Cr2AlC的M位引入少量Fe元素，合成了(V1–
x
Fe
x
)2AlC实现了对MAX相磁性的调控；Nechiche对A位点引入Bi元素合成了Zr2(Al
0.42
Bi
0.58
)C；Cabioc等人对X位点进行处理得到了Ti2AlC1‑
x
N
x
。不仅如此，以Liu, Z等人为代表的学者还发现了有序MAX相，包括面外有序MAX相（o
‑
MAX）和面内有序MAX相（i
‑
MAX）。虽然MAX相家族的成员很多，由于单相或双相的MAX相可选的合成范围太窄，其数量的发展已经接近停滞。
[0004]根据熵的计算公式S=RlnN，（S代表熵，R代表气体摩尔常数，N代表金属组元数），当3≤N＜5即1.1R≤S＜1.61R时所制备的材料才为中熵材料。根据理论计算，中熵材料吉布斯自由能较高，导致中熵材料在高温条件下易分解或分相，从而无法制备得到单一相结构的中熵材料。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对中熵MAX相材料和中熵二维材料制备过程中易分解或分相，难以制备单一相的技术问题，本专利技术一方面提供一种中熵MAX相材料，其化学通式为M
n+1
AX
n
，M元素为选自三或四种过渡金属元素和镧系元素，其中，M元素中含有至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素；A元素为选自
Ⅶ
素、
Ⅷ
、Ⅰ素、Ⅱ素、IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至
少一种；X元素为碳、氮、硼或氧元素中至少一种，n为1、2、3、4、5或6。
[0006]在一些实施例中，M元素中至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素，包括：Ti和Nb；和/或，Zr和Ta；和/或，Zr和V；和/或，Pt和Au；和/或，W和Mo。
[0007]在一些实施例中，A为铝、镓、铟、铅、硅、锗、锡和硫至少一种元素。
[0008]本专利技术还提供一种中熵MAX相材料的制备方法，包括步骤：配料步骤：按照MAX相材料化学通式的中各元素的化学计量比确定称取含有该元素的原料的需求量；烧结步骤：将原料在保护气氛下或真空环境下，预定温度下烧结，得到中熵MAX相材料；其中，MAX相材料的化学通式为M
n+1
AX
n
，M元素为选自三或四种过渡金属元素和镧系元素，M元素中含有至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素；A元素为选自
Ⅶ
素、
Ⅷ
、Ⅰ素、Ⅱ素、IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至少一种；X元素为碳、氮、硼和氧元素中至少一种，且n为1、2、3、4、5或6。
[0009]在一些实施例中，在配料步骤的原料需求量中，M元素、A元素和X元素的摩尔比为（n+1）∶（1.05～1.2）∶n。
[0010]在一些实施例中，烧结步骤中，烧结温度介于800℃～1500℃之间。
[0011]本专利技术还提供一种中熵二维材料具有二维片层结构，其化学通式为M
n+1
AX
n
，M元素为选自三或四种过渡金属元素和镧系元素，其中M元素中含有至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素，X为碳、氮、硼和氧元素中至少一种，且n为1、2、3、4、5或6。
[0012]在一些实施例中，至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素包括Ti和Nb；和/或，Zr和Ta；和/或，Zr和V；和/或，Pt和Au；和/或，W和Mo。
[0013]在一些实施例中，A为铝、镓、铟、铅、硅、锗、锡和硫至少一种元素。
[0014]在一些实施例中，二维片层结构的厚度介于1nm至20nm之间。
[0015]在一些实施例中，中熵二维材料的表面含有官能团包括：
‑
F、
‑
Cl、
‑
Br或
‑
I中的一种或多种。
[0016]本专利技术还提供一种中熵二维材料的制备方法，包括：制备MAX相步骤：采用上述本专利技术中熵MAX相材料的制备方法制备得到中熵MAX相材料；刻蚀步骤：将中熵MAX相材料与刻蚀剂发生反应，使刻蚀剂选择性刻蚀掉MAX中的A组分，得到中熵二维材料。
[0017]在一些实施例中，刻蚀剂为氢氟酸溶液、酸溶液+氟化盐体系、或卤族金属盐。
[0018]在一些实施例中，刻蚀步骤中，刻蚀剂为气相的卤族单质、卤族氢化物、氮族氢化物中的一种或多种。
[0019]在一些实施例中，刻蚀步骤中，刻蚀反应温度介于500℃至1200℃之间。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中熵MAX相材料，其化学通式为M
n+1
AX
n
，其特征在于，M元素为选自三或四种过渡金属元素和镧系元素，其中，所述M元素中含有至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素；A元素为选自
Ⅶ
B、
Ⅷ
、ⅠB、ⅡB、IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至少一种；X元素为碳、氮、硼或氧元素中至少一种，n为1、2、3、4、5或6。2.如权利要求1所述的中熵MAX相材料，其特征在于，所述M元素中至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素，包括：Ti和Nb；和/或，Zr和Ta；和/或，Zr和V；和/或，Pt和Au；和/或，W和Mo。3.如权利要求1所述的中熵MAX相材料，其特征在于，所述A为铝、镓、铟、铅、硅、锗、锡和硫中至少一种元素。4.一种中熵MAX相材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：配料步骤：按照MAX相材料化学通式的中各元素的化学计量比确定称取含有该元素的原料的需求量；烧结步骤：将所述原料在保护气氛下或真空环境下，预定温度下烧结，得到中熵MAX相材料；其中，所述MAX相材料的化学通式为M
n+1
AX
n
，M元素为选自三或四种过渡金属元素或镧系元素，所述M元素中含有至少两种能够形成固溶体的过渡金属元素和镧系元素；A元素为选自
Ⅶ
B、
Ⅷ
、ⅠB、ⅡB、IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至少一种；X元素为碳、氮、硼和氧元素中至少一种，且n为1、2、3、4、5或6。5.如权利要求4所述的中熵MAX相材料的制备方法，其特征在于，在所述配料步骤的原料需求量中，所述M元素、所述A元素和所述X元素的摩尔比为（n+1）∶（1.05～1.2）∶n。6.如权利要求4所述的中熵MAX相材料的制备方法，其特征在于，所述烧结步骤中，烧结温度介于800℃～1500℃之间。7.一种中熵二维材料，其特征在于，具有二维片层结构，其化学通式为M
n+1
X
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树斌，杜志国，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：